开关稳压电源论文1.docx

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开关稳压电源论文1

开关稳压电源

摘要

采用TL494作为开关稳压电源的核心控制芯片，以BOOSTDC-DC变换器作为开关电源的主电路，以C8051F040单片机D/A的输出电压作为基准，实现开关稳压电源输出电压的程控调节。

应用了LM2596降压给单片机和电路供电，充分运用了有效的资源，达到了可观的性价比。

关键字：

DC-DC变换器；BOOST升压；PWM；TL4

开关稳压电源

摘要

采用TL494作为开关稳压电源的核心控制芯片，以BOOSTDC-DC变换器作为开关电源的主电路，以C8051F040单片机D/A的输出电压作为基准，实现开关稳压电源输出电压的程控调节。

应用了LM2596降压给单片机和电路供电，充分运用了有效的资源，达到了可观的性价比。

关键字：

DC-DC变压器、BOOST升压、PWM、TL494、液晶12864、C8051F040。

1.引言

开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply），通过控制开关管的导通比来维持输出电压的稳定，体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。

功耗低、纹波小、噪音低、易扩容等特点，使得开关电源具有高的稳定性和性价比，在仪器、仪表、工业自动化等领域得到广泛应用。

2.方案的选择与论证

2.1系统方案的设计

系统设计框图如图2.1所示，输入为220V，50Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到约23V的直流电压，送入Boost电路，经滤波输出直流。

CPLD与单片机组成的数字控制模块输脉宽调制信号（PWM），由按键控制改变PWM占空比，从而控制Boost电路的输出电压。

该输出电压可在25—45V范围内步进调节，实现多路电压输出。

最大输出电流高达2A。

输出电压经电阻采样，送至控制模块，通过PID算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。

图2.1系统原理图

2.2DC-DC主回路拓扑方案的选择与论证

2.2.1概述

根据输入与输出之间是否有变压器隔离，DC-DC变换器可分成隔离式和非隔离式两类。

非隔离式又有六种拓扑：

Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeat。

2.2.2方案选择

方案一：

隔离型的开关电源中高频变换器的基本形式有五种：

单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式。

其中单端正激式和单端反激式结构简单、易于实现，半桥式、全桥式和推挽式电路结构较复杂对驱动电路要求较高、输出功率较大。

由于实际中已经给出用应用220V隔离变压器，所以应用二次隔离变压就显得有些繁琐。

方案二：

非隔离型DC-DC变换器没有开关变压器，采用Boost升压变换器可以实现电压将直流电压升高。

第二种方案的电路简洁且能满足题目要求，而且性价比也比第一种方案好，故选非隔离型BoostDC-DC变换器作为本题目的主电路。

如图2.2。

图2.2BoostDC-DC变换电路

2.3控制方法及实现方案的选择与论证

2.3.1控制方法选择与论证

方案一：

电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环，电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。

功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源，在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。

电流型控制可以逐个周期限制电流，过流保护也变得容易实现。

同时对推挽或全桥变换器可以克服输出变压器的磁偏。

方案二：

电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。

电流控制模式虽然具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，但是需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度，且当占空比大于50%时若没有斜坡补偿，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，在比赛过程中不利于发挥，故选则电压控制型。

2.3.2实现方案

采用电压控制，8051F040单片机D/A输出电压作为给DC-DC输出的电压反馈信号的参考信号来控制脉宽调制（PMW）信号，占空比的变化可以改变BoostDC-DC变换器的电压输出。

如图2.3.

图2.3TL494控制电路图

2.4保护电路的选择与论证

2.4.1保护电路的选择方案

方案一：

过压、欠压保护电路进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，用一个4比较器LM339及几个分立元器件构成的过压、欠压保护电路。

取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得，它反映输入电源电压的变化，比较器共用一个基准电压，一个为欠压比较器，一个为过压比较器，调整电阻可以调节过、欠压的动作阈值。

由于2个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。

用555做限流电路555集成时基电路是一种新颖的、多用途的模拟集成电路，555时基电路由分压器电阻，两个比较器，RS触发器以及两个晶体管等组成，电路在5～18V范围内均能工作。

可以用在单端反激式或单端正激式变换器中也可用在半桥式、全桥式或推挽式电路中，只要IC1有反馈控制端及基准电压端即可，当发生过流现象时，用555电路的单稳态特性使电路工作在“打嗝”状态下。

方案二：

利用电流传感器进行过流检测，电流传感器，初级串接在IGBT的集电极电路中，用来检测负载电流。

当电源正常工作时，比较器输出低电平，PWM控制器正常工作;当电源短路或过载时，电阻的电压会增加，经整流,滤波后，送至比较器的同相输人端，与反相端的基准电压进行比较，比较器输出高电平，用于封锁PWM信号。

电流传感器虽然简单，易于实现过流保护，精确度较高。

但性价比较高，由555和比较器搭建的电路也是比较简单，而且易于实现，且性价比较好。

所以在保护电路中选择了方案一。

电路图如图2.4。

图2.4保护电路

2.5提高效率的方法及实现方案

2.5.1提高效率的方法：

1.在DC-DC输出部分用添加无源无损吸收电路。

2.选用肖特基整流二极管代替快恢复二极管。

3.选择适合的工作频率。

4.电流采样选用阻值较小的电阻。

5.选用电压控制型电路，省去了电流采样电阻。

6.开关管选用低导通电阻的功率MOS管。

2.5.2实现方案选择与论证

以上方法对于本电路均能起到提高效率的作用：

用饱和电感串联二极管的无源吸收电路可以限制高峰值电流；MOS管的导通阻止很低；开关管输入频率过高，开关损耗大，过小在电感线圈的损耗较大；阻止较小的取样电阻可以降低损耗；电流控制型的电路由于在线圈缘边接电阻取电流信号，而电压型不用取。

3.电路设计与参数计算

3.1主回路器件的选择及参数计算

3.1.1主回路器件的选择

主回路器件主要是为完成输出设计要求所需关键性元件，即要求能输出最大电压45V、电流2A、满足高效率DC/DC转换、电压调整率。

开关控制芯片选择：

根据最大输出电压45V而最小输入电压25V，可得开关控制芯片可选择CM6805、UC3844和TL494等,若选择TL494，单端输出脉冲比最大为50％，将其双端口按线或方式连接则可满足要求。

同时，考虑到效率转换，排除了UC3844，因其是电流反馈型开关芯片，在大电流工作时，将明显降低转换效率，CM6805是可观的芯片，具有PFC、PWM自调节功能，效率高，但其技术资料少，不易掌握，TL494是电压反馈型开关芯片，具有双差分放大器反馈控制端口，PWM的死区时间可直接通过分压调节控制，资料较多，易于掌握，故选则TL494。

场效应管选择IRF9540，开关速度迅速，可通过50A大电流。

3.1.2参数计算

最小电感设计限值的确定：

使得输出纹波电压最小的电感设计值为

式（3.1）

由

=18V,R=18Ω，f＝40kHz，

＝36得最小量为55uH，考虑到尽可能减小开关管的电流应力，本设计电感量选为106uH。

为减小趋肤效应，电感采取双线并绕方式。

满足输出纹波电压要求的最小电容设计限值由下式确定

式（3.2）

其中m=VPP/VO=2％，λ取为2。

3.2控制电路设计与参数计算

上述确定了采用TL494开关控制芯片，需外接R、C提供振荡电路，振荡频率为

式（3.3）

一般设计在50KHz左右，同时根据电路设计思想，电阻应尽量取高阻值，电容应尽量小，确定参数各为R＝10K欧C＝2200pF由于最大输出功率为80W，直接用TL494驱动场效应管不能实现，故中间串接TPS2812P增大驱动能力

3.3效率的分析及计算

3.3.1效率分析

由于电路中的各种器件在一定的工作电压下都有压降，产生一定的损耗，所以输入功率不等于输出功率，输出功率与输入功率的比值是DC-DC变换器效率。

效率越高说明此开关电源的性能越好。

3.3.2计算

=PO/PIN，其中PO＝UOIO，PIN＝UINIIN·

3.4保护电路设计与参数计算

3.4.1保护电路设计

本次要求过流保护为可恢复式，过流断路后一定时间自动恢复原输出状态，可采取NE555构成的单稳态电路控制输出完成要求。

3.4.2参数计算

由NE555定时器构成的单稳态触发电路，当输入电平由高变低，电路进入暂态，

＝1，当输入脉冲已消失，电路经过

时间后恢复稳态，

＝0，三极管导通。

式（3.4）

3.5数字设定及显示电路的设计

3.5.1数字设定

通过单片机预设定的值存在数组里，当单片机检测到有按键触发，会把相应的数值通过D/A以电压的方式输出。

3.5.2显示电路设计

DC-DC输出的电压反馈信号经过放大，通过单片机A/D处理把检测到的信号用LCD实时显示出来。

3.5.3数控主要流程图

数控功能是基于8051F040内置A/D,D/A模拟器件实现的，当通过键盘输入预置值后，系统自动通过D/A发给TL494的差分端口上一个参考电压，该参考电压按一定比率配合后即可使输出电压达到预定值，A/D模拟器件可于实现电压电流检测、显示，并可实现自动调节功能.

图3.1数控主要流程

4测试工具与数据

4.1测试仪器

表4.1

编号

名称

型号

1

数字万用表

ET9508

2

双踪数字示波器

TDS1002

4.2测试数据

表4.2

理论输出/V

25.0

27.0

29.0

31.0

33.0

35.0

37.0

39.0

41.0

43.0

实际输出/V

25.3

27.1

28.9

31.0

33.3

35.1

37.1

38.0

41.2

43.1

5测试结果与分析

由于输出的电压和理论电压不相符，主要由TL494控制的PWM不成线性关系；效率不高，在经济支持的情况下用选取特制的变压器，电路供电模块最好不用稳压芯片，那样将大大的提高效率。

6总结

本设计采用单片开关控制芯片TL494作为BoostDC-DC变换器的核心，实现了DC-DC升压转换。

开关电源在我们的生活中都有用到，而我们学的还是他的很浅的一部分，我们的基础知识有限，对它的参数，算法有很多不懂的地方。

所以好多问题都要问学长，我们当然也得到了他们的帮助，可我们的基础知识还是要努力学习，虽然还从在好多问题，但我相信，在我们共同的努力下，我们一定会做得更好，希望得到老师，同学们的大力支持。

我们是初学者，虽然时间紧，但我们还是在努力着。

可还是基础知识的欠缺，最终导致好多问题的出现。

通过这次的作品制作，我们深深感到基础知识对我们的重要性，还有的就是坚持与毅力是我们必须有的，相信在以后的学习中我们会走得更好！

参考文献

[1]张占松等.开关电源的原理与设计电子工业出版社[M].2006.1

[2]阎石.数字电子技术基础.高等教育社[M].2006

[3]张肖子等.电子设计指南.高等教育出版社[M].2006.1

[4]周志敏等.开关电源实用技术.人民邮电出版社[M].2007.8

附录电路主原理图